El uso de sistemas de iluminación LED con controles inalámbricos en entornos de ciudades inteligentes e Industria 4.0 es cada vez más frecuente porque aporta múltiples ventajas, como menores costos energéticos (y la correspondiente reducción de las emisiones de carbono), niveles de iluminación controlables y menores costes de mantenimiento gracias a la mayor fiabilidad y vida útil de las luminarias LED. Para ser más eficaces, estos sistemas de iluminación LED necesitan un controlador de iluminación con varios modos de funcionamiento, funciones de detección y protección, además de una alta eficiencia y un amplio rango de voltaje de funcionamiento de 90 a 300 voltios de corriente alterna (VCA), junto con un alto factor de potencia (PF) y una baja distorsión armónica total (THD). Además, se necesitan un microcontrolador (MCU), un concentrador de datos y un transceptor inalámbrico para completar el sistema. Diseñar un sistema inalámbrico de control de la iluminación LED desde cero es una tarea multidisciplinar que conlleva un importante nivel de riesgo y puede retrasar el tiempo de comercialización.
En su lugar, los diseñadores pueden utilizar plataformas de desarrollo de control de la iluminación LED conectadas y prediseñadas. Estas plataformas son muy eficientes desde el punto de vista energético, con una alta FP, y cuentan con completos controles inalámbricos (encendido/apagado, atenuación y otros modos) y múltiples canales LED controlados de forma independiente que proporcionan la máxima flexibilidad de diseño. Incluyen módulos de comunicaciones inalámbricas compatibles con protocolos como Bluetooth de baja energía (BLE), Zigbee y 6LoWPAN. Además, cuentan con el apoyo de entornos de desarrollo que incluyen firmware personalizable, RTOS libre y diversos casos de uso.
Este artículo comienza repasando el funcionamiento básico de los LED y la construcción de las luminarias, además de los parámetros para medir la eficiencia de los LED y las luminarias. Analiza el uso de derivaciones para maximizar la fiabilidad y el rendimiento de las luminarias en aplicaciones de ciudades inteligentes e Industria 4.0. A continuación, presenta las plataformas de desarrollo de accionamiento y control de la iluminación LED conectada, y los componentes relacionados, de STMicroelectronics y onsemi, junto con las consideraciones de diseño e implantación.
El control inteligente de la iluminación LED comienza con el control de la interacción entre los LED de cada cadena para optimizar el rendimiento de la luminaria. También incluye la conversión inteligente de energía y se extiende al control inalámbrico de múltiples luminarias, incluyendo tanto el hardware como el software, para maximizar el rendimiento del alumbrado público y las redes de iluminación industrial.
Una luminaria LED típica incluye varios LED en serie en una o varias cadenas. Cada LED necesita una tensión de accionamiento de unos 3.5 V. Una cadena suele contener de 10 a 30 ledes y funciona con una alimentación de 40 a 100 V, consumiendo entre 0.35 y 1.0 amperios (A) de corriente, dependiendo de la luminosidad de cada LED (Figura 1).
Figura 1: Dos cadenas de 16 ledes cada una para su uso en luminarias inteligentes. (Fuente de la imagen: onsemi)
La luminosidad de las fuentes de luz se cuantifica en lúmenes (lm) que miden la luminosidad aparente para el ojo humano y tienen en cuenta la sensibilidad del ojo a las distintas longitudes de onda de la luz visible. La eficiencia con la que una fuente de luz produce lúmenes se llama eficacia y se mide en lúmenes por vatio (lm/W). Los ledes tienen una mayor eficacia que otras tecnologías de iluminación habituales. Sin embargo, no todos los ledes son igual de eficientes, y algunos tienen eficiencias significativamente mayores que otros. Además, un determinado LED puede producir más luz si se le aplica más corriente.
Los ledes son más fiables que otras tecnologías de iluminación, pero no son perfectos. Los ledes pueden fallar, sobre todo si se les da un fuerte impulso en una luminaria de alto rendimiento, como las utilizadas en el alumbrado público y la iluminación industrial. El fallo del LED puede ser un cortocircuito o un circuito abierto. Si un LED de una cadena falla en una condición de cortocircuito, se apaga, pero el resto de los ledes de la cadena siguen funcionando. La corriente continúa fluyendo a través del LED en cortocircuito, calentándolo hasta el punto de que puede convertirse en un circuito abierto, haciendo que toda la cadena se oscurezca.
Ledes de derivación
Los diseñadores de luminarias LED se enfrentan al reto de ofrecer más lúmenes en luminarias más pequeñas. Esto requiere a menudo que los ledes funcionen a temperaturas más altas durante períodos prolongados y puede dar lugar a fallos en los ledes. En particular, se espera que las luminarias del alumbrado público tengan una vida útil de hasta 15 años. Las derivaciones pueden ayudar a conciliar las exigencias contradictorias de una mayor temperatura de funcionamiento y una mayor vida útil. Cuando un LED falla en estado abierto, en lugar de que la cadena se apague, la derivación puentea el LED y mantiene la cadena funcionando normalmente con sólo el LED fallado apagado (Figura 2).
Figura 2: Sin derivaciones, el fallo de un solo LED provoca la pérdida de toda la cadena (izquierda). Con las derivaciones en derivación, solo se apaga el LED que ha fallado, y el resto de los ledes de la cadena siguen funcionando (derecha). (Fuente de la imagen: onsemi)
Existen derivaciones que pueden utilizarse para derivar uno o dos ledes, en función de las necesidades del diseño de la luminaria (figura 3). La derivación de cada LED permite una caída mínima de la luminosidad si falla un LED, mientras que la derivación de dos ledes reduce el número de derivaciones a la mitad para soluciones más sensibles a los costos. Por ejemplo, el NUD4700SNT1G de onsemi puede utilizarse para puentear los ledes individuales de una cadena, y se reinicia automáticamente si el LED vuelve a funcionar o se sustituye. El LBP01-0810B de STMicroelectronics puede puentear 1 o 2 ledes, aumentando la flexibilidad del diseño y reduciendo el número de piezas. El LBP01-0810B también proporciona protección contra sobretensiones definidas en las normas IEC 61000-4-2 y IEC 61000-4-5.
Figura 3: Existen derivaciones de ledes (dentro de los recuadros punteados) que pueden derivar 1 (izquierda) o 2 ledes (derecha). (Fuente de la imagen: onsemi)
Alumbrado público inteligente
Los diseñadores de sistemas inteligentes de alumbrado público pueden recurrir a la placa STEVAL-LLL006V1 de STMicroelectronics para evaluar las opciones de iluminación LED de alta potencia (Figura 4). El controlador de iluminación LED HVLED001A integrado incluye varios modos de funcionamiento, mecanismos de detección y protección, y produce un convertidor de potencia inteligente y eficiente utilizando MOSFET STP21N90K5. Este controlador led utiliza el CI convertidor de alta tensión fuera de línea VIPER012LSTR para proporcionar una salida de 60 a 110 V de corriente continua (CC) con una corriente constante de 0.7 A. Para satisfacer las necesidades de las aplicaciones de alumbrado público inteligente, el controlador tiene un rango de entrada de 90 a 300 VCA, un FP superior a 0.97 y una THD inferior al 15%. El módulo transceptor sub-1 GigaHertz (GHz) integrado SPSGRFC puede utilizarse para recibir órdenes de encendido, apagado y regulación y enviarlas al microcontrolador STM32L071KZ integrado. Admite cinco niveles de regulación analógica.
Figura 4: La placa de desarrollo de iluminación LED STEVAL-LLL006V1 forma parte de una plataforma que incluye la gestión de la energía y la conectividad inalámbrica. (Fuente de la imagen: STMicroelectronics)
Herramientas de desarrollo
Para acelerar el proceso de desarrollo y destacar la funcionalidad de la placa de evaluación STEVAL-LLL006V1, se dispone de una unidad concentradora de datos (DCU) y una aplicación móvil Android. La DCU es un entorno de evaluación integrado construido sobre la plataforma NUCLEO-F401RE. Incluye una placa X-NUCLEO-IDS01A4 para la comunicación por debajo de 1 GHz con el STEVAL-LLL006V1 y una placa X-NUCLEO-IDB05A2 para la comunicación Bluetooth con un dispositivo móvil. STMicroelectronics también ofrece su aplicación móvil 6LoWPAN Smart Streetlight, que puede utilizarse para formar una malla de controladores inteligentes de alumbrado público y evaluar la funcionalidad de la red.
Iluminación LED industrial
Las soluciones industriales de iluminación LED conectadas pueden ser prototipadas utilizando la plataforma de iluminación conectada LIGHTING-1-GEVK de onsemi. Esta plataforma de desarrollo cuenta con control inalámbrico, la posibilidad de utilizar una fuente de alimentación de CA/CC fuera de línea o una fuente de alimentación por Ethernet (PoE) opcional, un módulo LED y un módulo controlador LED, además de un módulo de conectividad BLE para unirlo todo. Las opciones de control disponibles incluyen el uso de la aplicación móvil RSL10 Sense and Control de onsemi o un cliente web. Esta plataforma de desarrollo incluye un RTOS gratuito, un CMSIS-Pack con firmware personalizable y varios casos de uso para empezar a explorar el uso de soluciones de iluminación LED industrial conectadas.
El kit básico LIGHTING-1-GEVK incluye un controlador led doble, una placa de ledes con dos cadenas de ledes, una fuente de alimentación CA/CC y un módulo de comunicaciones BLE (figura 5). Hay un módulo de alimentación PoE disponible por separado que puede suministrar hasta 90 W. Algunas especificaciones clave de las distintas placas del kit son:
- Controlador LED doble: incluye dos controladores LED FL7760 que suministran hasta 25 W cada uno con una eficiencia de hasta el 96%, atenuación de 4,000 pasos hasta el 0.6%, datos de telemetría que incluyen mediciones de corriente y voltaje para cada controlador LED, y una cabecera para el módulo MCU enchufable que admite la conectividad inalámbrica.
- Placa de ledes: dos canales independientes con 16 ledes en cada canal. Uno de los canales tiene ledes de 121 lm, y el otro canal tiene ledes de 95 lm, para una luminosidad total disponible de 7,000 lm.
- Fuente de alimentación CA/CC: incluye dos controladores de flyback de regulación del lado primario FL7740 con PFC, funciona en un rango de entrada de 90 a 270 VCA, produce una salida de 70 W a 55 V para alimentar la placa del controlador de LED, con un FP superior a 0.99 y una eficiencia superior al 91%.
- Módulo BLE: La plataforma de iluminación conectada utiliza tres servicios BLE; el servicio de control de la iluminación utilizado por los dispositivos conectados para leer y cambiar el estado de los LED de forma remota, el servicio de telemetría utilizado por los dispositivos conectados para supervisar el voltaje y la corriente en los controladores LED, y el servicio de suministro de energía PoE que proporciona información sobre los límites de potencia PoE impuestos al dispositivo por el inyector de energía PoE.
Figura 5: El kit básico de desarrollo incluye un controlador led doble, una cadena led doble, una fuente de alimentación CA/CC y un módulo de conectividad BLE. (Fuente de la imagen: onsemi)
Placas de expansión
Hay dos placas de expansión disponibles para el kit LIGHTING-1-GEVK, el interruptor BLE-SWITCH001-GEVB de recolección de energía, y la placa multisensor MULTI-SENSE-GEVB (Figura 6). El brillo del LED se puede controlar con el interruptor BLE. El brillo aumenta cuando se mantiene pulsado el interruptor. La intensidad de la luz se mantiene constante cuando se suelta el interruptor o cuando se alcanza la máxima luminosidad. La luminosidad se reduce pulsando el interruptor por segunda vez. La placa multisensor admite la creación de prototipos de sistemas que incluyen un sensor de luz ambiental, sensores ambientales o un sensor de movimiento inercial.
Figura 6: Hay dos placas de expansión disponibles para el kit LIGHTING-1-GEVK, un interruptor BLE y una placa multisensor (cuadro verde superior). (Fuente de la imagen: onsemi)
Opciones de diseño y despliegue
Las farolas LED y las luminarias industriales aportan nuevas oportunidades para replantear el diseño y el despliegue de las redes de alumbrado. A diferencia de las tecnologías a las que suelen sustituir, los LED son regulables, lo que crea oportunidades para diseñar ciudades inteligentes e instalaciones de la industria 4.0 inteligentes que integren diversos factores como los patrones de tráfico/uso, la hora del día e incluso un conjunto de sensores para optimizar los niveles de iluminación según sea necesario.
En una ciudad inteligente, las redes en malla inalámbricas son una opción natural, pero en las instalaciones de la Industria 4.0, el control puede implementarse con conectividad inalámbrica o Ethernet. Ethernet tiene la ventaja de suministrar tanto energía como comunicaciones. En cualquiera de los dos casos, se pueden integrar en las luminarias sensores de temperatura, humedad e incluso cámaras, aumentando su funcionalidad. Además, las condiciones de funcionamiento de las propias luminarias, como las temperaturas internas, los ledes en cortocircuito o abiertos, y otros factores, pueden supervisarse para ayudar a programar el mantenimiento preventivo y reducir los costes de funcionamiento.
Resumen
Como se ha demostrado, el diseño de un sistema de iluminación LED conectado fiable y eficiente comienza con el diseño de las luminarias. Los ledes deben seleccionarse para proporcionar el nivel óptimo de lúmenes, y el uso de derivaciones puede mejorar significativamente la fiabilidad y el rendimiento de la luminaria. El uso de la iluminación LED conectada por cable o inalámbrica en las ciudades inteligentes, y en las instalaciones de la industria 4.0 puede reducir el mantenimiento continuo y los costes operativos, además de reducir el consumo de energía. Existen completas plataformas de desarrollo que ayudan a acelerar el diseño y la implantación de soluciones de iluminación LED conectadas e inteligentes.
